Částice a interakce | CPT symetrie
Představujeme symetrie
C symetrie
Představme si, že bychom vybudovali věrnou kopii našeho světa nebo jen nějakého zařízení z antičástic. V atomových jádrech by místo protonů a neutronů byly antiprotony a antineutrony, v atomových obalech by byly místo elektronů pozitrony atd. Tuto operaci nazýváme nábojové sdružení a příslušnou symetrii nazýváme C symetrií: jde o záměnu všech částic za částice s opačnými kvantovými náboji (za antičástice). Písmeno C pochází z anglického Charge (náboj). Základní otázkou je, zda by se takto vytvořené zařízení chovalo stejně jako originál vybudovaný z částic, tj. zda platí C symetrie. Potom by naše zákony popisující přírodu musely tuto symetrii v sobě obsahovat – říkáme, že by byly C invariantní.
P symetrie
Představme si, že bychom vybudovali kopii nějakého zařízení podle toho, jak ho vidíme v zrcadle. Vše levé by bylo zaměněno za pravé, tj. levotočivé závity šroubů za pravotočivé, pružiny stočené doleva za pružiny stočené doprava, molekuly by byly nahrazeny zrcadlovými obrazy atd. Tuto operaci nazýváme zrcadlová operace a příslušnou symetrii nazýváme zrcadlovou (paritní) neboli P symetrií. Důležitou otázkou opět je, zda by takto zkonstruovaný přístroj fungoval stejně jako originál, tj. zda v přírodě platí P symetrie. Zákon zachování parity zformuloval Eugen Wigner v roce 1927.
T symetrie
T symetrie znamená obrácení chodu času, písmeno T pochází z anglického Time (čas). Všechny procesy by měly být možné i v obráceném pořadí. Bude proces probíhat stejně, zaměníme-li počáteční a koncové stavy částic a obrátíme-li vektory jejich rychlostí? Nebo jinak: nafilmujeme nějakou srážku částic či jiný děj a film pustíme pozpátku. Bude takový děj možný v přírodě?
Narušení P symetrie
Do roku 1956 fyzikové věřili v zrcadlovou symetrii. V roce 1956 byly v kosmickém zářeníKosmické záření – proud částic nejrůznějšího původu přilétající z vesmíru. Při interakci s atmosférou vzniká sprška milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 1020 eV. Sprška z takové částice zasáhne na zemském povrchu mnoho desítek km2. Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření je majoritním zdrojem antihmoty na naší planetě. Může vznikat v supernovách, pulzarech, aktivních galaktických jádrech, atd. Naprostá většina částic kosmického záření, okolo 88 %, jsou protony, přibližně 10 % jsou jádra hélia (alfa záření), 1 % elektrony a pozitrony a 1 % těžké prvky. Kosmické záření má naprosto nejširší spektrum energií ze všech dodnes známých jevů. Mnohé částice, které se dnes vědci pokoušejí nalézt v moderních urychlovačích, se mohou nacházet právě v kosmickém záření. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Victorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 300 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry, a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. pozorovány slabé rozpady kladných kaonůKaon – mezon K, částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Jeden kvark/antikvark je z první generace (d či u) a druhý kvark/antikvark je podivný kvark s. Kaony v hojné míře vznikají v horních vrstvách atmosféry při její interakci s kosmickým zářením. na pionyPion – mezon π, částice s nulovým spinem složená z kvarků u a d., které nezachovávaly pravolevou symetrii. Zrcadlový obraz rozpadu vypadal jinak než obraz původní. To by znamenalo, že pravý a levý směr není zcela rovnoprávný. Obdobnou asymetrii pozorovali Tsung Dao Lee a Chen Yang při rozpadech kaonů v Brookhavenské národní laboratoři. K ověření tohoto důležitého tvrzení navrhli experiment s izotopem kobaltu Co 60. Experiment provedla Chien Wu z Kolumbijské univerzity ještě v roce 1956. Kobalt reaguje na magnetické pole. Proto byl izotop 60Co podroben působení velmi silného magnetického pole za nízkých teplot. Magnetické momenty atomů kobaltu se při nízké teplotě zorientovaly ve směru magnetického pole. Předem tedy byl znám směr magnetického momentu atomů kobaltu (ve směru vnějšího magnetického pole). Atom kobaltu podléhá beta rozpadu, při kterém se uvolňují elektrony (beta rozpad je způsoben slabou interakcí, stejně jako rozpad kaonů, pozorovaný v roce 1956). V experimentu se ukázalo, že ve směru orientace vnějšího pole vylétá méně elektronů než ve směru opačném. Narušení pravolevé symetrie tak bylo definitivně potvrzeno. Při slabé interakci neplatí P symetrie.
Experiment s kobaltem 60. Při platnosti zrcadlové symetrie by
se směr výletu
elektronů neměl změnit. Zrcadlová symetrie byla narušena v
poměru 130:100.
Dnes dokonce známe procesy, ve kterých pozorujeme stoprocentní narušení P symetrie. Neutrina se například vyskytují jen v levotočivém provedení (točivostí rozumíme orientaci spinu vzhledem ke směru pohybu částice). Jak si to lze představit? Třeba takto: Myslete si, že neutrina jsou malé střely vystřelované z hlavně pušky. A v přírodě jsou jen hlavně s levotočivým drážkováním, které neutrina vždy roztočí (vlastní točivost je v tomto podobenství spin) jen doleva. Dobře tedy, ale co když v přírodě je symetrie taková, že všechna antineutrina jsou pravotočivá (tj. neutrinové antihlavně mají pravotočivé drážkování)? Pak by mohla platit symetrie, v níž zkonstruujeme přístroj podle zrcadlového obrazu z antihmoty. Takovou kombinovanou symetrii nazýváme CP symetrie.
Narušení CP symetrie
Jde o kombinovanou symetrii, při které 1) v přístroji nahradíme vše levé za pravé (zkostruujeme zrcadlový obraz); 2) všechny částice vyměníme za antičástice. Bude již nyní fungovat stroj stejně? Bohužel, v roce 1964 byly Jamesem Croninem a Valem Fitchem pozorovány rozpady levotočivého K0L mezonu na piony π+ a π−, které sice málo, ale přece jen narušovaly i CP symetrii (z 22 700 případů bylo 45±9 narušeno). Za objev narušení CP symetrie získali Cronin a Fitch Nobelovu cenuNobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2021 činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela. za fyziku pro rok 1980.
CP symetrie zakreslená na obrázku v přírodě neplatí.
V roce 1967 přišel Andrej Sacharov s myšlenkou, že by narušení CP symetrie
v silné interakci mohlo mít při vzniku vesmíru za následek převládnutí hmoty
nad antihmotou. Své teze zformuloval do tzv.
Sacharovových podmínekSacharovovy podmínky – podmínky pro to, aby se vesmír, v němž bylo na začátku stejně hmoty jako antihmoty, mohl vyvinout ve vesmír s výraznou nadvládou hmoty nad antihmotou. Sacharov ukázal v roce 1967, že k tomu může dojít, pokud:
1) existují procesy, které nezachovávají baryonové číslo,
2) existuje narušení C a CP symetrie,
3) probíhaly procesy mimo termodynamickou rovnováhu.. V období před velkým sjednocením interakcí
částice X a Y způsobovaly přechody mezi kvarky a leptony (viz
Sjednocení interakcí).
Díky narušení CP symetrie v silné interakci probíhaly tyto procesy mírně nesymetricky a vedly
k velmi malému porušení rovnováhy mezi hmotou a antihmotou. Zhruba na jednu
miliardu reakcí oběma směry proběhlo o jednu reakci více směrem k hmotě: antikvark ‹––»
lepton; kvark «––› antilepton.
Když se vesmír dostatečně ochladil, došlo k anihilaci látky a antilátky
a následnému
ohřevu vesmíru vzniklým zářením. Při anihilaci však na každou miliardu
částic a antičástic zbyla díky narušení CP invariance jedna částice. Právě
z nich je postaven dnešní vesmír.
Narušení CP symetrie v silné interakci bylo pozorováno až v roce 2004 na detektoru BABARBABAR – B and B-bar experiment. Experiment na urychlovači PEP-II ve Stanfordu, kterému se přezdívá B-factory – továrna na částice obsahující kvarky a antikvarky b. ve Stanfordově univerzitě. Při srážkách zde vznikají kvarky a antikvarky bottom (b, b). Název zařízení pochází z anglického „b and b bar“. Sledovány byly rozpady částice B0 a její antičástice B0. Rozpad obou částic má řadu možností, z nichž byly sledovány relativně vzácné rozpady na dvojici kaon a pion: B0 → K+ + π−; a pro antičástici B0 → K− + π+. V případě stejných vlastností hmoty a antihmoty by obě reakce měly probíhat stejně pravděpodobně a měly by se objevovat stejné počty párů (K+ π−) a (K− π+). Skutečnost byla ale jiná. V experimentu bylo detekováno 910 párů (K+ π−) a jen 695 párů (K− π+). Způsob rozpadu hmoty a antihmoty tak probíhá prokazatelně odlišně. Výzkum chování částic obsahujících b kvarky také probíhá na detektoru LHCbLHCb – Large Hadron Collider beauty, multifunkční detektor pro LHC, na kterém je sledováno narušení CP symetrie a jsou zkoumány hadrony obsahující kvark b. v komplexu CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web..
Narušení T symetrie
Základní zákony elektřiny a magnetismu i gravitace jsou neměnné při obrácení chodu času. Na úrovni elementárních procesů lze každý „film“ pustit pozpátku. Nikoli však již pro velké soubory částic. Zde jsou sice obrácené procesy principiálně možné, ale jejich pravděpodobnost je mimořádně malá. U makroskopických dějů existují tedy nevratné procesy. Je skutečně velmi malá pravděpodobnost, že se rozbitá sklenička poskládá sama zpět, i když bychom čekali velmi dlouhou dobu.
Jsou procesy vratné alespoň na elementární úrovni srážek dvou částic? Bohužel, ani zde tato jednoduchá symetrie při slabé interakci neplatí. Obrátíme-li u částic směr rychlosti, nebude se děj odvíjet pozpátku přesně stejně. Experimentálně bylo narušení T symetrie dokázáno v experimentech na zařízení LEAR (Low Energy Atom Ring) ve středisku CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web.. Experimenty byly prováděny v letech 1990–1996, teoreticky byly zpracovány až na přelomu roku 1998/1999 (ohlášení objevu). Antiprotony urychlené na statický terč interagovaly s protony terče prostřednictvím dvou reakcí – v první z nich p− + p+ → K− + π+ + K0 vznikaly neutrální kaony a v druhé p− + p+ → K+ + π− + K0 neutrální antikaony antikaony. Vzniklé kaony se dále rozpadaly na elektrony, neutrina a piony podle schématu K0 → e− + ν + π+, zatímco natikaony podléhaly reakci K0 → e+ + ν + π−. Pokud platí časová symetrie, měly by být obě reakce stejně zastoupené. V experimentech bylo zjištěno asymetrické chování, později došlo k nezávislému potvrzení v americkém urychlovacím komplexu FermilabFermilab – komplex urychlovačů ve Spojených státech, ve státě Illinois. Fermilab byl založen v roce 1967, prvním ředitelem se stal Robert Wilson, vynálezce mlžné komory. V roce 2011 zde byl ukončen provoz druhého největšího urychlovače světa – Tevatronu. K nejvýznamnějším objevům patří objev kvarku „b“ (1977), kvarku „t“ (1995) a tau neutrina (2000). Fermilab se zabýval výzkumem „b“ a „t“ kvarku, výrobou a výzkumem antivodíku, narušením CP symetrie, zkoumáním platnosti CPT symetrie a výzkumem řady dalších vlastností hmoty a antihmoty za vysokých energií.. Samotná časová symetrie tedy v přírodě pro některé procesy neplatí.
Umělecké pojetí časové symetrie. Zdroj: Viral Novelty.
CPT symetrie
Dnes věříme, že skutečnou realizovanou symetrií v přírodě je CPT symetrie. Pokud má kopie přístroje fungovat stejně jako originál, musíme 1) zaměnit částice za antičástice; 2) zkonstruovat zrcadlový obraz originálu; 3) obrátit chod času (zaměnit koncové a počáteční polohy částic a změnit směr vektoru rychlosti). Zatím žádný provedený experiment této symetrii neodporuje.
